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2023-11-14 14:29:23

药物递送(三)——mRNA疫苗递送技术(LNP)

1.mRNA的的定义

mRNA,即信使RNA,信使核糖核酸,在DNA的基础上发展而来。

1953年,Watson和Crick提出了具有“创世纪”意义的DNA双螺旋结构(皮一下:刺客信条里描述上古文明中伊述人的DNA为三螺旋结构,即为我们口中北欧民族的“神”)。 

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1960年,Fran ois Jacob和Matthew Meselson通过噬菌体感染大肠杆菌确定了细胞内存在一种将细胞核里的遗传信息转移到细胞质的机制。于是,1961年他们提出了mRNA假说:细胞内应该有一类充当信使的RNA分子,它们由许多不同的mRNA分子组成,每一种mRNA在核苷酸序列与DNA上的基因序列互补,然后被运输到细胞质为蛋白质合成提供模板。在一种蛋白质合成结束以后,它的mRNA将离开核糖体,为其他的mRNAs“让路”。


1964年,Sydney Brenner利用T4噬菌体感染重同位素标记的细菌,证明了mRNA假说是正确的,也从侧面验证了中心法则(genetic central dogma)。

mRNA以细胞中基因为模板,依据碱基互补配对原则转录生成后,含有与DNA分子中某些功能片段相对应的碱基序列,即可作为蛋白质生物合成的直接模板。mRNA仅占总RNA的2%~5%,但种类繁多,代谢十分活跃,半衰期极短,甚至会在合成后数分钟内被分解。

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2020年12月11日,FDA授权一款运用mRNA技术研制的新冠疫苗的紧急使用许可,这是历史上首个mRNA技术路线上市的疫苗。


2.mRNA的优势
较强的免疫原性和不稳定性,是mRNA在前期的研究远远不如DNA多的重要原因。直到将被修饰的核苷引入到mRNA的序列中,且研发出可以包裹和递送mRNA的载体,才基本解决了递送过程中的技术难题。
其实,mRNA比DNA更具优势,并且能介导更优的转染效率和更长的蛋白表达时间。

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优势有:
(1)由中心法则可知,mRNA通过体外转录合成,这个过程较为简单,并且mRNA在理论上能够表达任何蛋白,有治疗多种疾病的潜力
2DNA作为遗传学的核心,只有进入细胞核中才能转录成mRNA。而mRNA无需进入细胞核,在细胞质中即可启动蛋白翻译,其效率大大高于DNA
3mRNA不会像DNA和病毒载体那样插入基因组中影响遗传信息,mRNA编码蛋白只会在瞬间表达,之后很快被降解,不存在基因整合的风险,安全性高。
4)与蛋白和病毒相比,mRNA可以快速在细胞内翻译所需蛋白,起效较快。并且生产简单,成本低廉,易于工业化生产。 

3.mRNA递送的挑战

mRNA链是带有负电荷的长链大分子,而细胞膜表面也带有负电荷,静电排斥使得mRNA分子较难穿过细胞膜进入细胞内。并且,因为mRNA分子是单链,本身极其脆弱,体内的多种酶都能将它迅速降解。mRNA编码信息中涵盖了核糖体生成蛋白的序列,必须递送至细胞内才能编码蛋白。所以将mRNA递送到细胞内部共有两道屏障:递送途中的酶降解;静电排斥致使的膜屏障


4.mRNA疫苗的类别

自2019年新型冠状病毒感染性肺炎病毒(2019-nCoV)大肆传播以来,人类一直在为自身的健康安全研发疫苗,而mRNA疫苗是目前最热门的话题。

表一 各类疫苗的原理和特点

技术路线

原理

特点

灭活病毒

体外培养灭活病毒,刺激人体产生抗体

生产工艺成熟,但生物安全等级高,工艺繁琐耗时

基因重组亚单位

利用基因工程技术,体外制备病毒的S蛋白,刺激人体产生抗体

生产工艺相对成熟,但免疫原性弱,需佐剂增强,成分必须精确

腺病毒载体

在无害腺病毒中装载S蛋白,刺激人体产生抗体

免疫原性强,但存在腺病毒中和抗体的风险

减毒病毒

在减毒的流感病毒中载入S蛋白,刺激人体产生抗体

免疫原性强,作用时间长,生物安全级别高

核酸

将编码S蛋白的基因注入人体,刺激人体产生抗体

工艺简单,合成时间短,但需要递送系统包裹和递送基因


mRNA疫苗的核心原理是在mRNA中编码抗原遗传信息,然后递送至宿主细胞的细胞质中,在体内表达并诱导抗原特异性免疫应答。mRNA疫苗可以生产针对任何已知蛋白靶点的病原体,并且mRNA是利用无细胞的酶转录反应生产,保证了疫苗可以进行快速放大生产。


目前,有三种主要的RNA疫苗: mRNA、 bmRNA、 saRNA
mRNA为常规的、非扩增的mRNA分子; bmRNA为碱基修饰的、非扩增的mRNA分子; saRNA为核苷酸化学修饰、自扩增的mRNA分子。
表二 mRNA的类别和特点

疫苗类别

特点

mRNA

常规的、非扩增

bmRNA

碱基修饰的、非扩增

saRNA

核苷酸、自扩增


saRNA又名复制子,能实现自扩增。相比于非自扩增的RNA,自扩增RNA的最大优势是自我复制,仅需较低剂量的RNA,便可实现无细胞参与的快速扩增这对于大规模生产来说,可显著降低成本,能在短时间内应用于临床。

表三  COVID-19 mRNA疫苗类型

研发企业

疫苗类型

Moderna

bmRNA

BioNTech/Pfizer

bmRNA

ICL

saRNA

Arcturus

saRNA

CureVac

mRNA

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